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没模型哪来3D打印 3D扫描仪不完全盘点

发布时间:2020-07-02 15:41 作者:金宝搏

  】随着3D打印机越来越便宜,3D打印离我们的生活也越来越近。桌面产品不到万元,价格不再变得难以承受。但是说起3D打印,很多人会有疑问,我打印什么东西?传统打印机我可以打印文档、照片、图片,用3D打印机能打印什么?这就涉及到3D数字模型了。像AutoCAD、Maya之类的3D建模软件不是一天两天能熟练掌握的,3D打印的数据源从何而来呢?这就是3D扫描仪的作用,它把物体转化成3D数字模型,剩下的活交给3D打印机来完成。我们先了解一些3D扫描的原理。

  3D扫描仪分类为接触式(contact)与非接触式(non-contact)两种,后者又可分为主动扫描(active)与被动扫描(passive),这些分类下又细分出众多不同的技术方法。

  接触式3D扫描让笔者想起盲人摸象的故事。接触式3D扫描仪通过实际触碰物体表面的方式计算深度,如座标测量机(CMM,CoordinateMeasuringMachine)即典型的接触式3D扫描仪。此方法相当精确,常被用于工程制造产业,然而因其在扫描过程中必须接触物体,待测物有遭到探针破坏损毁之可能,因此不适用于高价值对象如古文物、遗迹等的重建作业。此外,相较于其他方法接触式扫描需要较长的时间,现今最快的座标测量机每秒能完成数百次测量,而光学技术如激光3D扫描仪运作频率则高达每秒一万至五百万次。

  主动式扫描是指将额外的能量投射至物体,借由能量的反射来计算三维空间信息。常见的投射能量有一般的可见光、高能光束、超音波与X射线。

  时差测距(time-of-flight,又称“飞时测距”)的3D激光扫描仪是一种主动式(active)的扫描仪,其使用激光光探测目标物。激光测距仪确定仪器到目标物表面距离的方式,是测定仪器所发出的激光脉冲往返一趟的时间换算而得。即仪器发射一个激光光脉冲,激光光打到物体表面后反射,再由仪器内的探测器接收信号,并记录时间。由光速和时间,算出被测体的一点到仪器的距离。

  三角测距3D激光扫描仪,也是属于以激光去侦测环境的主动式扫描仪。相对于飞时测距法,三角测距法3D激光扫描仪发射一道激光到待测物上,并利用摄影机查找待测物上的激光光点。随着待测物(距离三角测距3D激光扫描仪)距离的不同,激光光点在摄影机画面中的位置亦有所不同。这项技术之所以被称为三角型测距法,是因为激光光点、摄影机,与光源本身构成一个三角形。在这个三角形中,光源与摄影机的距离、及激光在三角形中的角度,是我们已知的条件。通过摄影机画面中激光光点的位置,可以决定出摄影机位于三角形中的角度。这三项条件可以决定出一个三角形,并可计算出待测物的距离。在很多案例中,人们以一线形激光条纹取代单一激光光点,将激光条纹对待测物作扫描,大幅加速了整个测量的进程。

  手持激光扫描仪通过上述的三角形测距法建构出3D图形:通过手持式设备,对待测物发射出激光光点或线性激光。以两个或两个以上的探测器(通常是摄像头)测量待测物的表面到手持激光产品的距离。扫描仪获得的数据,会被导入电脑中,并由软件转换成3D模型。手持式激光扫描仪,通常还会综合被动式扫描(可见光)获得的数据(如待测物的结构、色彩分布),建构出更完整的待测物3D模型。

  被动式扫描仪本身并不发射任何辐射线(如激光),而是以测量由待测物表面反射周遭辐射线的方法,达到预期的效果。由于环境中的可见光辐射,是相当容易取得并利用的,大部分这类型的扫描仪以侦测环境的可见光为主。但相对于可见光的其他辐射线,如红外线,也是能被应用于这项用途的。因为大部分情况下,被动式扫描法并不需要规格太特殊的硬件支持,这类被动式产品往往相当便宜。

  PrimeSense技术用光源照明给需要测量的空间编码。光照在空间物体上形成光斑,这些光斑具有高度的随机性,而且会随着距离的不同变换图案。也就是说空间中任意两处的光斑图案都是不同的。只要在空间中打上这样的结构光,整个空间就都被做了标记,把一个物体放进这个空间,只要看看物体上面的光斑图案,就可以知道这个物体在什么位置了。由于PrimeSense技术使用的是连续的照明,不需要特制的感光芯片,而只需要普通的CMOS感光芯片,这让3D扫描仪的成本大大降低。

  很多手持式3D扫描仪、桌面3D扫描仪、3D扫描镜头采用的是PrimeSense技术,例如微软第一代Kinect体感设备、Artec公司的手持式扫描仪、Matterport的桌面3D扫描仪、Occipital的3D扫描镜头。应该说PrimeSense的解决方案成为3D扫描大众化的福音。3D扫描仪如何生成物体的数字模型呢?拿手持式3D扫描仪来举个例子。

  手持3D扫描仪绕物体一周。此时扫描仪获得物体的空间信息,包括深度(depth)和颜色(color)。深度信息用来确定物体表面每一个点在空间中的位置,颜色信息用来记录每一个点的色彩。

  3D扫描仪在不同角度,会记录物体的若干幅位置信息。软件将这些位置信息比对(align),来获得整体的位置信息。

  软件融合(fuse)所有的位置信息组合成一个完整的物体,这时建模才算完整。

  完整的3D数字模型是由许多的小三角形拼合成物体的表面,因此3D扫描仪能够获取和生成的小三角形数量与扫描精度有直接关系。三角形数量越多,扫描精度越高。

  位置信息处理完毕,还有表层颜色。这一步软件将颜色信息附加到数字模型上,叫做蒙皮(texturize)。

  最后,把结果导出成为3D文件格式,例如STL、OBJ等,可以在Maya、AutoCAD3DMax等三维建模软件中编辑,也可以直接用3D打印机打印出来。

  包括手持式3D扫描仪在内,当前大多数的消费级3D扫描仪都是实用的PrimeSense技术,数据采集原理大同小异。

  随着2014年CES展会的结束,多家厂商、初创公司推出消费级3D扫描产品,价格从几百美元到上千美元不等,大大丰富了3D数据模型的来源。新老产品,百花齐放。

  3DSystems展出了iSense3D扫描镜头,与上一款产品有异曲同工之妙。预计今年第二季度上市,定价499美金。

  Matterform桌面3D扫描仪仅有鞋盒大小,定价579美金,将桌面3D扫描仪变成“买得起的3D扫描仪”。同样使用了PrimeSense技术。

  MakerBotDigitizer3D扫描仪不是一款新品了,但是也有亮点。原价1400美金,现在MakerBot公司搞起促销来,价格为949美金,这个降价幅度可以说是嗨翻全场。

  桌面3D扫描仪特点就是有可以自动旋转的扫描平台,不会由于手持出现晃动。体积小的物品用桌面3D扫描仪精度足够合适。

  3DSystems公司于2013年推出的手持式3D扫描仪Sense,定价399美金。相比一台3DSystemsCube系列3D打印机来说,价格不高,但是用3D扫描仪的目的还是3D打印,这个399美金的帮手身价不菲。

  土豪级手持式3D扫描仪非它莫属,ArtecEva。在国内3D打印店中经常能见到它的身影,定价13700欧元。看来手持式3D扫描仪,还真是想说爱你不容易。

  总结:2013年是3D打印盛放的一年,从消费者到媒体、厂商、服务商都投入了空前的关注,而且越来越多的传统打印厂商也加入到3D打印的行列。2014年,厂商已经在3D打印的数字模型上加速扩展,购买版权模型、建立3D模型库和社区,并做收费下载。包括3D扫描仪在内的3D成像产品走向大众,无疑会大大扩展3D数字模型的规模,甚至带动3D打印行业的发展。

  3D扫描仪是实物数字化的重要工具。值得高兴的是消费级的产品越来越多,价格也越来越便宜,随着Intel iSense的发展,相信实物3D扫描仪可以很快的降到100美元以内。


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